生物化学

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  生物化学汉语拼音:Shengwu Huaxue;英语:Biochemistry),研究生命物质的化学组成、结构及其在生命过程中各种化学变化科学。主要在分子水平上研究生物体化学本质及其生命活动过程化学变化的规律。始于18世纪,20世纪初才以独立的学科出现,从20世纪50年代开始飞速地发展起来。

简史

  生物化学的发展大体可分为4个阶段。

  第一阶段从19世纪末到20世纪30年代,主要是静态的描述性阶段。对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究。

  第二阶段约在20世纪30~50年代。主要特点是研究生物体内物质的变化,即代谢途径,所以称动态生化阶段。其间的突出成就是确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATP)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。

  第三阶段是从20世纪50年代开始。随着DNA双螺旋结构的确定,生物化学进入了全新的研究领域。DNA双螺旋模型的提出打开了生物遗传奥秘的大门。根据双螺旋结构,完满地解释了DNA的自我复制,随后又阐明了转录、翻译及调控的机理,提出了中心法则并破译出遗传密码。1973年重组DNA获得成功,由此诞生了基因工程技术。到了80年代,基本上已经建立起了比较成熟的基因工程的各种方法。

  第四阶段是从20世纪90年代初开始。随着基因工程方法的完善,及大规模DNA测序和大规模双相电泳及相关技术的迅速提高,基因组学、功能基因组学、蛋白质组学与结构生物化学等成为这一阶段的研究热点。蛋白质的研究摆到了与核酸同等重要的地位。这一阶段的主要特点是研究生物大分子(蛋白质与核酸)和基因的结构与功能,以及它们的相互作用。

  较有代表性的新的研究热点是RNA干扰(RNAi)。随着RNAi现象的发现及相关技术的应用,对生物化学领域产生了深远的影响。RNAi现象存在的广泛性远远超过人们的预期,对此问题的深入研究将为进化的观点提供有力佐证。与其他几种进行功能丧失或降低突变的技术相比,RNAi技术具有明显的优点,它更容易产生功能丧失或降低突变。RNAi的发现产生了一种新的功能基因组研究策略;同时为基因治疗许多疑难病症提供了新的方法和思路。因此RNAi被美国的《科学》评选为2002年最重大科学成就。

研究内容

  生物体的化学组成 除了水和无机盐之外,活细胞的有机物主要由碳与氢、氧、氮、磷、硫等元素结合组成,分为大分子和小分子两大类。前者包括蛋白质、核酸、多糖和以结合状态存在的脂质;后者有维生素、激素、各种代谢中间物以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。在不同的生物中,还有各种次生代谢物,如萜类、生物碱、毒素、抗生素等。

  新陈代谢与代谢调节控制 新陈代谢由合成代谢和分解代谢组成。前者是生物体从环境中取得物质,转化为体内新的物质的过程,也叫同化作用;后者是生物体内的原有物质转化为环境中的物质,又称异化作用。同化和异化的过程都由一系列中间步骤组成。研究中间代谢过程实质是研究其中的化学途径。

  生物大分子的结构与功能 生物大分子的多种多样功能与它们特定的结构有密切关系。蛋白质的主要功能有催化、运输和贮存、机械支持、运动、免疫防护、接受和传递信息、调节代谢和基因表达等。20世纪80年代初出现的蛋白质工程,可以通过改变蛋白质的结构基因而获得在指定部位经过改造的蛋白质分子。这一技术不仅为研究蛋白质结构与功能的关系提供了新的途径,而且也开辟了按一定要求合成具有特定功能的新蛋白质的广阔前景。

  核酸的结构与功能的研究为阐明基因的本质,了解生物体遗传信息的流动作出了贡献。碱基配对是核酸分子相互作用的主要形式,这是核酸作为信息分子的结构基础。脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构有不同的构象,这些不同的构象均有其功能上的意义。核糖核酸(RNA)中的信使核糖核酸(mRNA)、转移核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)在蛋白质生物合成中起着重要作用。此外,个别的RNA还具有催化功能,被称作核酶(ribozyme)。

  基因表达的调控是核酸的结构与功能研究的一个重要内容。对于原核生物的基因调控已有较为深入的了解;真核生物基因表达的调控也取得了显著的进展。如异染色质化与染色质活化;DNA的构象变化与化学修饰;DNA上调节序列如增强子和调节子的作用;RNA加工和翻译过程中的调控等。

  生物体另一种重要的大分子是多糖。在多糖中,纤维素和甲壳素是植物和动物的结构物质,淀粉和糖原等是储存的营养物质。由于糖链结构的复杂性,使它们具有很大的信息容量,对于细胞专一地识别某些物质并进行相互作用而影响细胞代谢、细胞识别、细胞运动和肿瘤发生等具有重要的作用。

  酶学 生物体内几乎所有的化学反应都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、专一性强等特点。这些特点取决于酶的结构。酶的结构与功能的关系、反应动力学及作用机制、酶活性的调节控制等是酶学研究的基本内容。20世纪80年代初发现的核酶(ribozyme)改变了以前普遍认为只有蛋白质才是生物催化唯一物质的传统观念,并打开了一个新的研究领域。

  生物膜和生物能学 生物膜主要由脂质和蛋白质组成,一般还含有糖类,其基本结构可用流动镶嵌模型来说明,即脂质分子形成双层膜;脂质和膜蛋白具有流动性;膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与脂质之间以不同程度相互作用。生物膜与能量转换、物质与信息的传送、细胞的分化与分裂、神经传导、免疫反应等都有密切关系,是生物化学中一个十分活跃的研究领域。2003年诺贝尔化学奖就授予了美国霍普金斯大学教授P.阿格雷和洛克菲勒大学教授R.麦金农,以奖励他们关于细胞膜通道的重大发现。

  激素与维生素 激素是新陈代谢的重要调节因子。激素系统和神经系统构成生物体两种主要通信系统,二者之间又有密切的联系。20世纪70年代以来,激素的研究范围日益扩大,如发现胃肠道和神经系统的细胞也能分泌激素;一些生长因子、神经递质等也纳入了激素类物质中。许多激素的化学结构已经测定,它们主要是多肽和类固醇化合物。对一些激素的作用原理也有所了解,如有些是改变膜的通透性,有些是调节酶的活性,还有些是影响基因的表达。维生素对代谢也有重要影响,可分水溶性与脂溶性两大类。它们大多是酶的辅基或辅酶,与生物体的健康有密切关系。

  生命的起源与进化 生物进化学说认为地球上数百万种生物具有相同的起源并在大约40亿年的进化过程中逐渐形成。生物化学的发展为这一学说在分子水平上提供了有力的证据。通过比较不同种属DNA或蛋白质的类似度,可以推断出种属之间的亲缘关系。DNA复制中的差错可以说明作为进化基础的变异是如何发生的。

  方法学 在生物化学的发展中,许多重大的进展均得益于方法上的突破。如同位素示踪技术用于代谢研究和结构分析;各种色谱技术,特别是20世纪70年代以来全面地大幅度地提高体系性能的高效液相色谱法,以及各种电泳技术用于蛋白质和核酸的分离纯化和一级结构测定;X射线衍射技术用于蛋白质和核酸晶体结构的测定;高分辨率二维核磁共振技术用于溶液中生物大分子的构象分析;核酸自读技术用于DNA序列测定;单克隆抗体和杂交瘤技术用于蛋白质的分离纯化以及蛋白质分子中抗原决定因子的研究等。20世纪70年代以来计算机技术广泛而迅速地向生物化学各个领域渗透,不仅使许多分析仪器的自动化程度和效率大大提高,而且为生物大分子的结构分析、结构预测以及结构功能关系研究提供了全新的手段。新兴起的生物芯片技术,也是与计算机及自动化技术结合的产物。它在功能基因组研究、新药研究及疑难疾病的诊断等领域都有很大的应用前景。今后,生物化学的继续发展无疑还要得益于技术和方法的革新。

理论意义和实际应用

  生物化学对其他各门生物学科的深刻影响首先反映在与其关系比较密切的细胞学、微生物学、遗传学、生理学等领域。通过对生物大分子结构与功能进行的深入研究,揭示了生物体内物质代谢、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收缩、激素作用、免疫和细胞间通信等许多奥秘,使人们对生命本质的认识跃进到一个崭新的阶段。一些看来与生物化学关系不大的学科,如分类学、生态学和老年学,甚至在探讨人口控制、世界食品供应、环境保护等社会性问题时都需要从生物化学的角度加以考虑和研究。

  生物化学的研究成果在实际中的应用,也有力地推动了许多领域的发展。

  农牧业 农林牧副渔各业都涉及大量的生化问题。如防治植物病虫害使用的各种化学和生物杀虫剂以及病原体的鉴定;筛选和培育农作物良种所进行的生化分析;鱼类人工繁殖时使用的多肽激素;喂养家畜、家禽的发酵饲料等。随着生化研究的进一步发展,不仅可望采用基因工程的技术获得新的动、植物良种和实现粮食作物的固氮,而且有可能在掌握了光合作用机理的基础上,使整个农业生产的面貌发生根本的改变。

  工业 生物化学在发酵、食品、纺织、制药、皮革等行业都显示了威力。例如皮革的鞣制、脱毛,蚕丝的脱胶,棉布的浆纱都用酶法代替了老工艺。近代发酵工业、生物制品及制药工业包括抗生素、有机溶剂、有机酸、氨基酸、酶制剂、激素、血液制品及疫苗等均创造了相当巨大的经济价值,特别是固定化酶和固定化细胞技术的应用更促进了酶工业和发酵工业的发展。

  国防 在防生物战、防化学战和防原子战中提出的课题很多与生物化学有关。如射线对于机体的损伤及其防护;神经性毒气对胆碱酯酶的抑制及解毒等。随着人类基因组计划的进行,有关基因资源的争夺与保护也日趋激烈。能否在这一领域占有一席之地,并迅速地建立起对有关基因资源的保护,及应对可能出现的基因武器,也直接关系到国家未来的安全。

  医药 对一些常见病和严重危害人类健康的疾病的生化问题进行研究,有助于进行预防、诊断和治疗。如血清中肌酸激酶同工酶的电泳图谱用于诊断冠心病、转氨酶用于肝病诊断、淀粉酶用于胰腺炎诊断等。在治疗方面,磺胺药的发现开辟了利用抗代谢物作为化疗药物的新领域。青霉素的发现开创了抗生素化疗药物的新时代,再加上各种疫苗的普遍应用,使很多严重危害人类健康的传染病得到控制或基本被消灭。基因工程诞生后,先后成功地制造了干扰素、白介素、集落刺激因子等许多重组蛋白质药物,为人类与疾病的斗争增加了强有力的武器。正在发展的基因治疗及干细胞培养等新技术的完善,将有可能解决一些长期困扰人类的疑难病症。